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Manual de prácticas del Laboratorio de Física

Experimental

Código: MADO-09

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Fecha de emisión 20 de enero de 2017

Facultad de Ingeniería Área: Laboratorio de Física Experimental La impresión de este documento es una copia no controlada

Manual de Prácticas de Laboratorio de Física Experimental

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M en E. Elizabeth Aguirre Maldonado

M en I. Rigel Gámez Leal

Ing. Gabriel Alejandro Jaramillo

Morales

M en A. M. del Carmen Maldonado Susano

Q. Antonia del Carmen Pérez León

M en I Juan Carlos Cedeño Vázquez

Ing. Gabriel Alejandro Jaramillo Morales

Ing. Gabriel Alejandro Jaramillo Morales

20 de enero de 2017


Experimental

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Contenido Páginas

Práctica 1 ......................................................................................................................................... 3

Caracterización de un voltímetro analógico ............................................................................... 3

Práctica 2 ....................................................................................................................................... 12

Caracterización de un dinamómetro ......................................................................................... 12

Práctica 3. ...................................................................................................................................... 21

Movimiento uniformemente acelerado ...................................................................................... 21

Práctica 4. ...................................................................................................................................... 31

Movimiento y energía en un plano inclinado ............................................................................ 31

Práctica 5 ....................................................................................................................................... 42

Propiedades de las sustancias ................................................................................................... 42

Práctica 6 ....................................................................................................................................... 49

Gradiente de presión.................................................................................................................... 49

Práctica 7 ....................................................................................................................................... 59

Algunas propiedades térmicas del agua ................................................................................... 59

Práctica 8 ....................................................................................................................................... 71

Leyes de la Termodinámica ........................................................................................................ 71

Práctica 9 ....................................................................................................................................... 79

Carga y corriente eléctrica .......................................................................................................... 79

Práctica 10 ..................................................................................................................................... 89

Fuerza magnética sobre un conductor ..................................................................................... 89

Práctica 11 ..................................................................................................................................... 99

Movimiento ondulatorio................................................................................................................ 99

Práctica 12 ................................................................................................................................... 108

Reflexión, refracción (transmisión) y dispersión de la luz .................................................... 108


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Práctica 1 Caracterización de un voltímetro

analógico


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1. Seguridad en la ejecución

Peligro o fuente de energía Riesgo asociado

1 Foco incandescente Quemadura por tocar la ampolla del mismo al estar encendido y/o recién apagado igualmente al acercarle la cara.

2 Fuente de poder

Girar las 2 perillas de corriente y voltaje en sentido contrario al movimiento de las manecillas del reloj, por si la brigada del grupo anterior las dejó al máximo y al encender la fuente se pueda dañar el circuito.

2. Objetivos de aprendizaje

a) Determinar el rango, la resolución y la legibilidad del voltímetro (características estáticas).

b) Calcular la precisión y la exactitud del voltímetro para cada valor patrón en el

rango de experimentación. c) Determinar la incertidumbre para las mediciones de cada valor patrón

utilizado. d) Determinar los valores más representativos para los valores patrones

utilizados incluyendo sus incertidumbres. e) Obtener la curva de calibración y su ecuación para el voltímetro bajo estudio. f) Determinar la sensibilidad y el error de calibración del voltímetro.


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3. Material y equipo

fuente de poder de 0 hasta 30 [V] con 5 [A] máximo, con voltímetro digital integrado voltímetro analógico de 0 a 50 [V] foco incandescente de 60 [W] base para foco con cables de conexión dos cables de conexión cortos

4. Desarrollo de las actividades

Actividad 1 Analizar el voltímetro por caracterizar, registrar marca y modelo, e identificar sus características estáticas: rango, resolución y legibilidad, en su caso, aclarar estos conceptos. Verificar el ajuste a cero del voltímetro y, de ser necesario, hacer el ajuste mecánico con el tornillo colocado al centro de la parte inferior de la carátula.

Marca Modelo Rango Resolución Legibilidad

Actividad 2 Armar el circuito mostrado en la figura 1, sin poner en funcionamiento la fuente de poder y verificar que las perillas de corriente y voltaje estén totalmente giradas en sentido contrario al movimiento de las manecillas del reloj ( ).


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Figura 1. Dispositivo experimental.


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Actividad 3 Encender la fuente y con giros pequeños de las dos perillas graduar los valores de la diferencia de potencial (voltaje), aplicada al foco, en el circuito; tomar el valor del voltímetro digital como valor patrón y registrar la lectura del voltímetro analógico.

Actividad 4 Llene la siguiente tabla de mediciones en forma creciente y luego decreciente (zig-zag) hasta completar las cinco columnas.

[V] VL1 [V] V L2 [V] V L3 [V] V L4 [V] V L5 [V] [V]

2.5

4.5

6.5

8.5

10.5

12.5

14.5


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Actividad 5 Complete la tabla con los cálculos necesarios empleando las expresiones matemáticas proporcionadas.

[V] [V] % EE % E % EP % P V [V] V [V]

2.5

4.5

6.5

8.5

10.5

12.5

14.5

Nomenclatura:

valor patrón

valor leído promedio

% EE porcentaje de error de exactitud % E porcentaje de exactitud % EP porcentaje de error de precisión % P porcentaje de precisión

V incertidumbre para las mediciones de cada valor patrón utilizado

V valor más representativo con su incertidumbre


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5. Cuestionario

1. ¿Para qué valor de el voltímetro presenta menor error de exactitud? 2. ¿Para qué valor de el voltímetro presenta menor error de precisión?

3. Realice la gráfica de la curva de calibración; tome al Valor patrón ( ) como

la variable independiente. 4. Obtenga la ecuación de la curva de calibración indicando las unidades de

cada término en el SI. 5. ¿Cuál es la sensibilidad del voltímetro y su error de calibración, cada uno con

sus unidades correspondientes en el SI?

6. Conclusiones


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7. Bibliografía

Gutiérrez Aranzeta, Carlos; Introducción a la metodología experimental, 2da. Edición, México, Limusa Noriega, 2006. Young H. D. y Freedman R. A.; “Sears y Zemansky FISICA UNIVERSITARIA CON FÍSICA MODERNA” Vol. 2; Editorial Pearson; 13ª edición; México, 2014.

8. Expresiones matemáticas

100V

VVEE%

P

LP

y % E = 100 - % EE ;

100

V

VVEP%

L

aL

y % P = 100 - % EP

Desviación estándar de una muestra de “n” mediciones de una misma cantidad física:

1/2

2

1

1

n

L j

j

V

V V

Sn

y V

mV

SV S

n

; [V] u = [S mV ] u = [S V] u


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Expresiones del método de la suma de los cuadrados mínimos:

m = 2

i

2

i

iiii

)x(xn

)y)(x(yxn

b =

2

i

2

i

iii

2

ii

)x(xn

)x)(yx()x)(y(

Modelos gráficos

VVL

m

m [V] + b

[V] b

*

*

%EE %EP

[V]

* *

*

* *

* [V]

VVL

[V]


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Práctica 2 Caracterización de un dinamómetro


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1 Peso de las masas patrón Al manipular las masas inadecuadamente se pueden caer y causar daños.


a) Determinar las características estáticas del dinamómetro empleado. b) Determinar el error de exactitud y la exactitud del dinamómetro para cada

valor patrón. c) Determinar el error de precisión y la precisión del dinamómetro para cada

valor patrón. d) Determinar la incertidumbre para las mediciones de cada valor patrón

utilizado. e) Determinar los valores más representativos para los valores patrones

utilizados incluyendo sus incertidumbres. f) Obtener los modelos gráfico y matemático de la curva de calibración. g) Identificar el significado físico de la pendiente y el de la ordenada al origen de

los modelos de la curva de calibración.


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3. Material y equipo dinamómetro de 0 a 10 [N] dos masas de 50 [g] masa de 100 [g] masa de 200 [g] base de soporte universal varilla de 70 [cm] varilla de 20 [cm] tornillo de sujeción


Actividad 1 Analizar el dinamómetro por caracterizar, registrar marca y modelo, e identificar sus características estáticas: rango, resolución y legibilidad. Llenar la siguiente tabla.

Marca Modelo Rango Resolución Legibilidad

Actividad 2 Verificar el ajuste a cero del dinamómetro, éste puede realizarse al aflojar la tuerca superior y girar el gancho del soporte hasta que la parte media del indicador marque cero, una vez hecho ésto apretar la tuerca superior para asegurar el ajuste a cero. Colocar el dinamómetro en el soporte universal para realizar las mediciones, ver figura 1.


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Figura 1. Dispositivo experimental del dinamómetro.

Actividad 3 Colgar en el dinamómetro las masas patrones de manera sucesiva y registrar el peso de cada una; efectuar las mediciones en forma creciente y luego decreciente hasta completar las cinco columnas (W1, W2… W5) en la siguiente tabla. Recuerde que el peso WP = mP *g ; donde WP [N], mP [kg], g [m/s2]


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Actividad 4 Completar la columna de pesos patrones (WP) aplicando la segunda ley de Newton (WP = mP x g) y el valor de la aceleración gravitatoria local (g = 9.78 [m/s2]).

mP [g] mP [kg] WP [N] WL1 [N] WL2 [N] WL3 [N] WL4 [N] WL5 [N] LW [N]

50

100

150

200

250

300

350

400


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Actividad 5 Llenar la siguiente tabla con los cálculos necesarios.

WP [N]

LW

[N] %EE %E %EP %P

W [N]

LW + W

[N]

Nomenclatura:

valor patrón

valor leído promedio

% EE porcentaje de error de exactitud % E porcentaje de exactitud % EP porcentaje de error de precisión % P porcentaje de precisión

V incertidumbre para las mediciones de cada valor patrón utilizado

V valor más representativo con su incertidumbre


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5. Cuestionario 1. Indique para qué valor patrón se tuvo el mayor error de exactitud. 2. Indique para qué valor patrón se presentó el mayor error de precisión. 3. Realice el modelo gráfico de la curva de calibración. Indicando las unidades

de cada término en el SI. 4. Obtenga el modelo matemático de la curva de calibración. Indicando las

unidades de cada término en el SI. 5. Para cada término del modelo matemático del inciso anterior indique si es

constante, variable independiente o variable dependiente y escriba su expresión dimensional en el SI.

6. Conclusiones


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7. Bibliografía. Young H. D. y Freedman R. A.; “Sears y Zemansky FISICA UNIVERSITARIA CON FÍSICA MODERNA” Vol. 2; Editorial Pearson; 13ª edición; México, 2014.

8. Anexo Expresiones matemáticas necesarias WP = mP * gCDMX ; en la cual gCDMX = 9.78 [m/s

2]

100

V

VVEE%

P

LP

y % E = 100 % EE

100

V

VVEP%

L

aL

y % P = 100 % EP

Desviación estándar de una muestra de n mediciones de una misma cantidad física:

2/1

n

1i

2

iL

W1n

WW

S

y

n

SSW W

mW

; [W] u = [S mw ] u = [S w] u


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Expresiones del método de la suma de los cuadrados mínimos cuadrados:

m = 2

i

2

i

iiii

)x(xn

)y)(x(yxn

b =

2

i

2

i

iii

2

ii

)x(xn

)x)(yx()x)(y(

Modelos gráficos

NWL

m

b

WP [N]

*

*

%EE %EP

WP [N]

* *

*

* *

*

m WP [N] + b [N]

WP [N]

NWL


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Práctica 3. Movimiento uniformemente acelerado


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1 Base del soporte universal. Mal colocado en la mesa puede caerse y causar un daño.

2. Objetivos de aprendizaje a) Determinar las características estáticas del cronómetro utilizado.

b) Obtener el modelo gráfico del tiempo t de caída en función del desplazamiento h de una esfera con movimiento uniformemente acelerado; es decir: t = f (h).

c) Obtener los modelos gráfico y matemático lineales del desplazamiento h de

una esfera con movimiento uniformemente acelerado en función de la variable

z, donde z = t2 y t es tiempo de caída.

d) Obtener la rapidez de la esfera con movimiento uniformemente acelerado en

función del tiempo. e) Obtener la aceleración de la esfera con movimiento uniformemente acelerado

en función del tiempo.

3. Material y equipo equipo didáctico para el movimiento uniformemente acelerado base de soporte universal varilla de 1 [m] dos tornillos de sujeción flexómetro caja de madera


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Actividad 1 Analizar el cronómetro digital e identificar sus características estáticas: rango, resolución y legibilidad. Llenar la siguiente tabla.

Rango Resolución Legibilidad

Actividad 2

Identifique los componentes del equipo didáctico para el movimiento uniformemente acelerado.

actuador placa de contacto

cronómetro digital esfera


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Actividad 3 Armar y conectar el equipo sin encenderlo, como se muestra en la figura 1, de acuerdo con las instrucciones siguientes.

Figura 1. Diagrama de conexión.


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Instrucciones de armado a) Coloque la esfera en el actuador de modo que quede sujeta en las quijadas del

mismo, las cuales son móviles. Verifique que el actuador y la placa de contacto estén conectados en sus respectivas entradas en el cronómetro digital, el cual debe estar apagado y conectado.

b) Coloque la caja madera debajo de la placa de contacto para que reciba la esfera al caer.

c) Ajuste y mida con el flexómetro la altura mínima h (20 cm) como se indica en la tabla de mediciones.

d) Encienda el cronómetro digital, oprimiendo su interruptor de color rojo en la parte superior. El botón izquierdo de la carátula deberá tener una luz azul, lo que indica que el cronómetro está listo para medir el tiempo de caída de la esfera.

e) Oprima el botón izquierdo de la carátula, esta acción provocará que la luz de color

azul se apague y que el actuador suelte a la esfera; el cronómetro medirá el tiempo de caída de la misma, hasta que llegue a la placa de contacto.

f) Cuando la esfera toque la placa de contacto, se detendrá la medición de tiempo en el cronómetro; la esfera deberá caer en la caja de madera para evitar que caiga al piso.

g) Al detenerse el cronómetro, se enciende la luz del botón derecho de su carátula. Para realizar más mediciones del mismo desplazamiento h de la esfera, se deberá poner en ceros el cronómetro oprimiendo nuevamente el botón derecho, el cual se apagará y automáticamente encenderá la luz del botón izquierdo; con esto el equipo quedará listo para la siguiente medición.

h) Coloque de nuevo la esfera en el actuador como se describió en el inciso a) de esta actividad.


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Actividad 4 Realice las mediciones de tiempo indicadas en la tabla para cada desplazamiento h [m], modifique esta distancia que recorrerá la esfera y mida el tiempo de recorrido como

se ha descrito anteriormente. Calcule el tiempo leído promedio Lt , la incertidumbre de

las lecturas t y el valor más representativo (Lt t) para cada desplazamiento h.

h [m] t1 [s] t2 [s] t3 [s] t4 [s] t5 [s] Lt [s] t [s] (Lt t) [s]

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Actividad 5 Trace la gráfica del desplazamiento h de la esfera, con movimiento uniformemente

acelerado, en función del tiempo promedio de caída Lt ; es decir: h = f (

Lt ).


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Actividad 6

Para cada desplazamiento h y el tiempo promedio de recorrido de la esfera, calcule el tiempo patrón de caída y el porcentaje de exactitud para cada valor de h.

h [m] Lt [s] t p [s] % E

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

donde: h = desplazamiento.

Lt = tiempo leído promedio.

pt = tiempo patrón,

g

h2t p .

% E = porcentaje de exactitud del tiempo leído promedio.


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Actividad 7 Llene la siguiente tabla con los cálculos correspondientes empleando la expresión

matemática z = 2

Lt .

h [m] z [s2]

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Actividad 8

Trace la gráfica del desplazamiento h de la esfera con movimiento uniformemente

acelerado en función de la variable z, donde z = 2

Lt , y Lt es el tiempo leído promedio de

caída.

Actividad 9 Obtenga el modelo matemático del desplazamiento h en función del cuadrado del tiempo

leído promedio 2

Lt de caída de la esfera empleada.


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5. Cuestionario

1. ¿Qué tipo de curva se obtiene en la gráfica h = f (Lt )?

2. ¿Cuál es el modelo matemático del desplazamiento h en función del cuadrado

del tiempo leído promedio 2

Lt de caída de la esfera empleada?

3. ¿Cuál es el significado físico de la pendiente m y de la ordenada al origen b

del modelo matemático obtenido del inciso anterior? 4. ¿Cuál es la expresión experimental que se obtiene para el cálculo de la

rapidez de caída de la esfera? 5. ¿Cuál es el valor de la aceleración gravitatoria obtenido experimentalmente? 6. ¿Cuál es el porcentaje de exactitud de gexperimental, si el valor patrón es

gCDMX=9.78

2s

m?

6. Conclusiones


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7. Bibliografía

Young H. D. y Freedman R. A.; “Sears y Zemansky FISICA UNIVERSITARIA CON FÍSICA MODERNA” Vol. 2; Editorial Pearson; 13ª edición; México, 2014.

8. Anexos Expresiones matemáticas

g

h2t p siendo gCDMX = 9.78

2s

m z =

2

Lt

Desviación estándar de una muestra de “n” mediciones de una misma cantidad física y su correspondiente incertidumbre:

2/1

n

1i

2

iL

t1n

tt

s

y

n

st t

Modelos gráficos

y como z = 2

Lt

m

b st L

h [m]

z [s2]

* *

*

*

h [m] = m mbsz

s

m 2

2

h [m]

h [m] = m 2 2

L2

mt s b m

s


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Práctica 4. Movimiento y energía en un plano inclinado


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1 Base de soporte universal Mal colocado en la mesa puede caerse y causar un daño.

2 Canaleta del equipo Mal colocado y mal asegurado puede caerse y dañarse.


a) Obtener los modelos gráfico y matemático lineales del desplazamiento x de

un móvil sobre un plano inclinado, sin fricción, con un ángulo con respecto

a la horizontal, en función del tiempo de recorrido t. b) Obtener el modelo gráfico de la energía potencial EP del móvil en función de

su altura h. c) Obtener el modelo gráfico de la energía cinética EC del móvil en función de su

altura h.


base de soporte universal tornillo de sujeción varilla de 1 [m] plano inclinado (pelota plástica, actuador y sensor) cronómetro con sus cables flexómetro caja de madera


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Para el maestro balanza digital

4. Desarrollo de las actividades Actividad 1 Analizar el flexómetro e identificar sus características estáticas: rango, resolución y legibilidad. Llenar la siguiente tabla.


Actividad 2 De acuerdo con el diagrama determine el valor de H, sabiendo que la longitud del plano inclinado es L= 1.46 m y su inclinación de 15°.

Valor de H: ______________ (m)


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Actividad 3 Armar y conectar el equipo como se muestra en las figuras 1 y 2, sin encenderlo.

Figura 1. Conexiones del plano inclinado.

Figura 2. Partes fundamentales del equipo.


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Instrucciones de armado a) En el extremo superior de la canaleta coloque el actuador, sujetándolo con sus dos

tornillos (figura 1). b) El sensor debe ubicarse a una distancia “x” (variable independiente) con respecto

al centro de la esfera colocada en el actuador, asegurándolo con su propio tornillo a la canaleta (figura 3). La esfera debe estar bien sujeta al actuador.

Figura 3. Distancia de “X” del actuador al sensor.

c) El actuador y el sensor deben conectarse a las terminales del cronómetro digital, el cual debe estar conectado y apagado.

d) En el extremo inferior del plano inclinado debe colocarse la caja de madera para

evitar que la esfera se caiga y se extravíe. e) Ajustar y medir con el flexómetro una distancia “x” de 60 cm.


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f) Encender el cronómetro, oprimiendo su switch de color rojo en la parte superior. El

botón izquierdo de la carátula deberá de tener una luz azulada, lo que indica que está listo para funcionar. Para realizar mediciones de desplazamiento de la esfera, se deberá poner en ceros el cronómetro.

g) El actuador soltará la esfera y el cronómetro comenzará a medir el tiempo de desplazamiento de la misma.

Actividad 4 Varíe la distancia “x” entre el actuador y el sensor de tal forma que corresponda a los desplazamientos seleccionados pedidos en la siguiente tabla y mida en cada caso el tiempo para cada uno.

x [m] t1 [s] t2 [s] t3 [s] t4 [s] t5 [s] Lt [s]

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6


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Actividad 5 Con las mediciones obtenidas y el empleo de las expresiones matemáticas proporcionadas, completar el llenado de la tabla.

Lt [s] t p [s] t [s]

stt L

Actividad 6

Complete la siguiente tabla elevando al cuadrado el tiempo leído promedio, 22

L stz .

x [m] Lt [s] 22

L stz

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6


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Actividad 7

Realice la gráfica distancia “x” contra z, donde 22

L stz sea la variable independiente.

Actividad 8 Con la balanza proporcionada, mida la masa de la pelota. masa de la pelota: ______________ (kg)

Actividad 9 Determine la energía potencial para cada valor de “x” y complete la siguiente tabla.

x [m] Ep= m g x (J)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6


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5. Cuestionario

1. ¿Cuál es el modelo matemático del desplazamiento x en función del cuadrado del tiempo empleado?

2. ¿Cuál es el significado físico de la pendiente del modelo matemático

obtenido? 3. ¿Cuáles son las expresiones experimentales para la rapidez y la aceleración

del móvil sobre el plano inclinado? 4. Dibuje la gráfica de la energía potencial del móvil sobre todo el plano inclinado

en función de su altura h, tome en cuenta que esta función es una recta y requiere del cálculo de la energía potencial máxima y mínima para dos valores extremos de la altura h; es decir: h = 60 cm y h = 0 cm.

5. Dibuje la gráfica de la energía cinética del móvil sobre todo el plano inclinado

en función de su altura h, tome los mismos valores de ésta empleados en el punto 4 y calcule las energías cinéticas mínima y máxima; esta función también es una recta.

6. Conclusiones


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7. Bibliografía


8. Anexo

Expresiones matemáticas necesarias

seng

x2t p EP = m g h EC =

2

1 m v

2

g = 9.78

2s

m sen

L

H 22

L stz

Modelos gráficos

x[m]= m bszs

m 2

2

m

b z [s

2]

x [m] st L

tp=[s]


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0 0

y como 2

Ltz :

H H

EC [J]

h [m] h [m]

x[m]= m mbsts

m 22

L2

; v =

td

xd ; a =

td

vd


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Práctica 5 Propiedades de las sustancias


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1 Algunas sustancias usadas. Ligera toxicidad al contacto con ellas.

2 Vaso de precipitados. Si es manipulado inadecuadamente puede caer y romperse en fragmentos filosos.

3 Calibrador con vernier Tiene partes filosas y puntiagudas, por lo que debe manipularse con cuidado; dichas partes deben estar alejadas de la cara.


a) Determinar algunas propiedades de las sustancias en fase sólida o líquida. b) Comprobar que el valor de una propiedad intensiva no cambia si se modifica

la cantidad de materia (masa) y verificar lo contrario para una propiedad extensiva.

c) Distinguir entre las cantidades físicas, las de tipo vectorial y las de tipo

escalar.


balanza granataria de 0 a 610 [g] calibrador vernier vaso de precipitados de 50 [ml] tres muestras sólidas de materiales diversos tres muestras líquidas de sustancias diversas flexómetro jeringa de 10 [ml]


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Actividad 1 Identificar las características estáticas de la balanza proporcionada.


Actividad 2 Medir la masa de cada muestra de sustancia, no olvidar la verificación del ajuste a cero de la balanza, el cual se llevará a cabo colocando los jinetillos completamente a la izquierda de los brazos móviles (donde marquen cero) y girar el tornillo de ajuste a cero, que se encuentra en el lado izquierdo del punto de apoyo, hasta que las marcas de la aleta de freno y el freno magnético den la impresión de formar una línea continua, ver figura 1.

Figura 1. Diagrama de medición de muestras sólidas y líquidas.


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Actividad 3 Medir las dimensiones de las muestras sólidas que permitan determinar su volumen. En el caso de sustancias líquidas medir la masa total (recipiente y sustancia) y no olvidar restar la masa del recipiente. Para el aceite y la glicerina, los volúmenes se encuentran especificados en los recipientes; para determinar la masa del agua utilice la jeringa como auxiliar en el llenado del vaso de precipitados. Llene la siguiente tabla.

sustancia fase m [kg] V [m3] W [N]

aceite

agua

glicerina

esponja

acero

madera

acrílico

vector o escalar

Intensiva o extensiva

Nota: * Escribir en la columna de fase: S si es sólida o L si es líquida. * Escribir en la penúltima fila si se trata de una cantidad física vectorial o escalar. * Escribir en la última fila una E si es una propiedad extensiva o I si es intensiva.


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Actividad 4 Llenar la siguiente tabla indicando si son propiedades intensivas o extensivas; así como si se trata de cantidades físicas escalares o vectoriales.

[kg/m3]

[1]

[N/m3] v

[m3/kg]

Propiedad Intensiva o extensiva

Cantidad física vectorial o escalar

Actividad 5 Llenar la siguiente tabla con el empleo de las expresiones matemáticas proporcionadas en el anexo.

Sustancia

[kg/m3]

[1]

[N/m3] v

[m3/kg]

aceite

agua

glicerina

esponja

acero

madera

acrílico


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donde para cada sustancia: m = masa W = peso V = volumen

= densidad

= densidad relativa v = volumen específico

= peso específico

5. Cuestionario

1. Anote tres propiedades extensivas y tres intensivas de las sustancias, justificando su respuesta.

2. Escriba tres cantidades físicas de tipo escalar y tres de tipo vectorial,

explicando el por qué. 3. Menciones dos ejemplos de sustancias homogéneas y dos heterogéneas. 4. ¿Cuáles de las sustancias empleadas son isótropas y cuáles son no

isótropas? 5. Si se vertieran volúmenes iguales y de cada uno de los líquidos empleados,

en un recipiente cilíndrico, indique en un esquema como quedarían colocados al alcanzar condiciones estables (en reposo).


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6. Conclusiones

7. Bibliografía Young H. D. y Freedman R. A.; “Sears y Zemansky FISICA UNIVERSITARIA CON FÍSICA MODERNA” Vol. 2; Editorial Pearson; 13ª edición; México, 2014.

8. Anexo


gmW

;

2s

mk̂78.9g

;

V

m ;

agua

x

x

;

V

W

y

1v


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Práctica 6 Gradiente de presión


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1 Cristalería. Al ser manipulada inadecuadamente puede romperse en fragmentos afilados.


a) Obtener los modelos gráfico y matemático de la presión manométrica Pman en función de la profundidad ‘y’ en un fluido homogéneo en reposo.

b) Obtener, a partir del modelo matemático anterior, la densidad y la magnitud

del peso específico del fluido empleado.

c) Explicar la relación que existe entre presiones absoluta, relativa y atmosférica.

d) Verificar la validez del gradiente de presión y la naturaleza intensiva de la propiedad llamada presión.


manómetro diferencial recipiente de base cuadrada flexómetro vaso de precipitados de 600 [ml]


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Actividad 1 Identificar las características estáticas del manómetro diferencial.


Actividad 2 Verificar que en el recipiente de base cuadrada con un líquido desconocido se alcancen

15 cm de profundidad como mínimo. Ajustar a cero el manómetro diferencial desplazando la escala móvil; si es necesario, agregar líquido manométrico. Introducir el sensor del manómetro (campana de inmersión) dejando entrar un poco del líquido desconocido para que el menisco (en este caso cóncavo hacia el aire) se pueda observar claramente, ya que en su base se tomará la lectura de la presión manométrica a la profundidad deseada. ( ).


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Actividad 3 Registrar en la siguiente tabla la presión manométrica en el líquido desconocido para los valores crecientes de profundidad; después, disminuir gradualmente la profundidad y medir la presión correspondiente; continuar así hasta completar los conjuntos de mediciones necesarios (cinco en este caso).

y [m] P1 [Pa] P2 [Pa] P3 [Pa] P4 [Pa] P5 [Pa] manP [Pa]

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12


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Actividad 4 Localizar los puntos experimentales del modelo gráfico de la presión manométrica en función de la profundidad en el líquido desconocido en reposo.

Gráfica 1. Presión manométrica en función de la profundidad.


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Actividad 5 Obtener el modelo matemático de la presión manométrica en función de la profundidad en el líquido bajo estudio. Trazar en la gráfica de la actividad anterior la recta obtenida en el modelo matemático.

Actividad 6 Del modelo matemático obtenido, obtener el valor de la magnitud del peso específico y de la densidad del fluido, con sus respectivas unidades en el SI.

= ________________________ [ ] = ________________________ [ ]

Actividad 7 Con la ayuda de las explicaciones del profesor y de la gráfica siguiente, identifique una presión manométrica y una presión vacuométrica; relaciónelas con la presión atmosférica para obtener las presiones absolutas de la manométrica y de la vacuométrica. Considere que la presión atmosférica a nivel del mar es de 101 325 [Pa] y en la Ciudad de México de 77 400 [Pa] aproximadamente.

Figura 2. Presión manométrica, presión vacuométrica y presión absoluta.


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5. Cuestionario

1. ¿Cuál es el modelo matemático de la presión manométrica Pman en función de la profundidad y obtenido?

2. ¿Cuál es el valor de la magnitud del peso específico

y el de la densidad del líquido empleado? Identifique de qué sustancia se trata.

3. Escriba la ecuación que relaciona a las presiones absoluta, manométrica y

atmosférica, en un punto dentro de un fluido en reposo. 4. Escriba la ecuación que relaciona a las presiones absoluta, vacuométrica y

atmosférica, en un punto dentro de un fluido en reposo. 5. ¿Existe alguna relación entre el modelo matemático obtenido y la ecuación

del gradiente de presión? Justifique su respuesta. 6. ¿Es la presión una propiedad intensiva? Justifique su respuesta.

6. Conclusiones


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8. Anexo Expresiones matemáticas necesarias

PA – PB = | g

| (ZA ZB); Patm = Hg | g

| barh ;

3Hgm

kg600,13 ;

| g

| = 9.78

2s

m

Modelos gráficos


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y com

b’

Pabs [Pa]

Pman[Pa]= m Pabmym

Pa

Pabs [Pa]= m Pa'bmy

m

Pa

y [m]

Pman [Pa]

m

y [m]

m = yd

Pd man

m = yd

Pd abs

m

b


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Práctica 7 Algunas propiedades térmicas del agua


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1 La resistencia de inmersión debe estar cubierta de agua.

Si la resistencia se energiza fuera del agua, explota.

2 No agitar el termómetro de inmersión. La manipulación inapropiada puede romper el instrumento, lo que genera fragmentos punzo-cortantes e intoxicación.


4 Parrilla eléctrica. Si no se usa con precaución, puede provocar quemaduras severas.


a) Obtener los modelos gráficos de la energía en forma de calor suministrado

(Qsum) en función del incremento de temperatura (T), y de la energía en forma de calor suministrado (Qsum) en función de la temperatura (T) de la sustancia empleada.

b) Obtener los modelos matemáticos de la energía en forma de calor suministrado (Qsum) a una sustancia en función de la temperatura T y del

incremento de temperatura T que la sustancia experimenta.

c) Calcular la capacidad térmica y la capacidad térmica específica de la masa de agua empleada.

d) Determinar la temperatura de ebullición del agua en esta ciudad y comprobar que, a presión constante, la temperatura de la sustancia permanece constante durante los cambios de fase.


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3. Material, equipo y sustancias

parrilla eléctrica calorímetro con tapa, agitador y resistencia de inmersión

vaso de precipitados de 600 m fuente de poder digital de 0 a 30 [V] DC y de 0 a 5 [A] dos cables de conexión de 1 [m] termómetro de inmersión tapón de hule cronómetro digital balanza de brazo triple

jeringa de 10 m 150 [g] de agua


Actividad 1

Registrar las características estáticas de los instrumentos indicados.

Instrumento Rango Resolución Legibilidad

termómetro de inmersión

balanza


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Actividad 2 Medir una masa de 150 [g] de agua líquida, suficiente para cubrir totalmente la resistencia de inmersión integrada a la tapa del calorímetro, la cual no debe energizarse si está fuera del líquido cuya temperatura se desea elevar. No olvide ajustar a cero la balanza. masa de agua líquida: ________________ [kg]

Actividad 3 Armar el dispositivo experimental mostrado en la figura 1, sin encender aún la fuente de poder, verificar que los dos resistores que forman la resistencia de inmersión estén conectados en serie; es decir uno a continuación del otro.



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Actividad 4 Verificar que las dos perillas de la fuente de poder estén totalmente giradas en sentido contrario al movimiento de las manecillas del reloj. Con giros pequeños de las dos perillas de la fuente hacer circular una corriente de 2.5 [A], abrir el circuito en este momento sin mover la posición de las perillas. intensidad de corriente eléctrica, I = ____________________ [A] diferencia de potencial eléctrica, Vab = ____________________ [V] potencia eléctrica, P = Vab * I = _________________________ [W]

Actividad 5 Agitar ligeramente el contenido del calorímetro para que las propiedades del líquido sean homogéneas; medir y registrar la temperatura inicial del líquido y tener listo el

cronómetro para medir el lapso t que ha permanecido energizado el circuito de la

fuente y la resistencia de inmersión.

temperatura inicial del líquido, Tinicial = ____________ [°C] = ____________ [ K ]

Actividad 6

En el instante t0 = 0 segundos: cerrar el circuito, atender al termómetro y poner en

operación el cronómetro para registrar el lapso t [s] que ha transcurrido desde que se

cerró el circuito y en el que se alcanzó en el líquido un incremento T = 2 [°C] = 2 [K] en su temperatura. Agitar suavemente el contenido del calorímetro durante la realización del experimento. No detener el cronómetro cuyo funcionamiento debe ser continuo como el de la fuente de poder


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Actividad 7 Proceder de manera semejante, cuando el líquido en el calorímetro ha alcanzado un

nuevo incremento de T = 2 [°C] = 2 [K]. Observe que las lecturas del voltímetro y del amperímetro permanecen constantes durante la realización del experimento. Con las mediciones realizadas, llene la tabla siguiente.

T [°C] T [°C]

t

Lectura del

cronómetro

t [s] Vab [V] I [A] P [W]

T0 = Tinicial 0 0 0 0 0 0

T1 = T0 + 2° 2 2.5

T2 = T1 + 2° 4 2.5

T3 = T2 + 2° 6 2.5

T4 = T3 + 2° 8 2.5

T5 = T4 + 2° 10 2.5


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Actividad 8

Completar el llenado de la siguiente tabla, calculando la energía proporcionada Qsum.[J].

T [°C] T [°C] Qsum = P [J/s] *t [s]

T0 = 0

T1 = 2

T2 = 4

T3 = 6

T4 = 8

T5 = 10

Actividad 9

Trazar el modelo gráfico y obtener el modelo matemático Qsum [J] = f (T) [°C] con la

información de la tabla anterior y el método del mínimo de la suma de los cuadrados. Sobre el modelo gráfico trace la mejor recta obtenida con el modelo matemático.


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valor de la pendiente = _________ [ ] valor de la ordenada = _________ [ ]

Actividad 10 Del modelo matemático obtenido en la actividad anterior, obtener la capacidad térmica (C ) y la capacidad térmica específica ( c ) con sus respectivas unidades en el SI, de la masa de agua empleada. Para lo anterior, se sugiere comparar el modelo matemático

con el modelo teórico C = ________________________ [ ] c = ________________________ [ ]


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Actividad 11

Trazar el modelo gráfico y obtener el modelo matemático Qsum [J] = f (T) [°C] con las

columnas de datos correspondientes de la tabla anterior y el método del mínimo de la suma de los cuadrados. Sobre el modelo gráfico trace la mejor recta obtenida con el modelo matemático.

valor de la pendiente = _________ [ ] valor de la ordenada = _________ [ ]


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Actividad 12 Del modelo matemático obtenido en la actividad anterior, obtener la capacidad térmica (C ) y la capacidad térmica específica ( c ) con sus respectivas unidades en el SI, de la masa de agua empleada. Para lo anterior, se sugiere comparar el modelo matemático

con el modelo teórico T0 C = ________________________ [ ]

c = ________________________ [ ]

Actividad 13 Colocar 50 gramos de agua líquida en el vaso de precipitados, eleve su temperatura empleando la parrilla y deje que el agua alcance su punto de ebullición en esta ciudad. Mida el valor del punto de ebullición del agua con el termómetro de inmersión proporcionado. temperatura de ebullición = __________ [°C] temperatura de ebullición = __________ [ K ]


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5. Cuestionario

1. Escriba el modelo matemático del calor suministrado Qsum [J] = f (T) [°C]

para la masa de agua utilizada, indicando las unidades en el SI para cada término.

2. Escriba el modelo matemático del calor suministrado Qsum [J] = f (T) [°C] para

la masa de agua utilizada, indicando las unidades en el SI para cada término. 3. ¿Cómo son las pendientes m y m’ entre sí y cuánto valen? y ¿las ordenadas

al origen b y b’? de los modelos matemáticos obtenidos. Justifique sus respuestas.

4. Determinar el porcentaje de exactitud de la capacidad térmica específica del

agua líquida obtenida experimentalmente, si se sabe que el valor patrón es

4186 [J/kg °C] 5. ¿Cuál es la temperatura de ebullición del agua a la presión atmosférica de la

Ciudad de México? Explíque su respuesta comparándola con la temperatura de ebullición a nivel del mar.

6. Conclusiones


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7. Bibliografía


8. Anexo


T0)

T0

m c = C donde c = capacidad térmica específica C = capacidad térmica o capacidad calorífica


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Práctica 8 Leyes de la Termodinámica


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1 Parrilla eléctrica. Si no se usa con precaución, puede provocar quemaduras severas.

2 No agitar el termómetro de inmersión. La manipulación inapropiada puede romper el instrumento, lo que genera fragmentos punzo-cortantes e intoxicación.



a) Verificar el cumplimiento de la ley cero de la Termodinámica.

b) Determinar en forma experimental la capacidad térmica específica de un metal (cmetal) mediante la aplicación de las leyes cero y primera de la Termodinámica.

c) Constatar la validez de la segunda ley de la Termodinámica a través de la observación de la dirección de los flujos de energía en forma de calor.

d) Obtener el porcentaje de exactitud del valor experimental de la capacidad térmica específica del metal cmetal con respecto a un valor patrón de tablas de propiedades.


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3. Material y equipo calorímetro de unicel con tapa únicamente

vaso de precipitados de 600 m

vaso de precipitados de 50 m balanza con balanzón parrilla eléctrica con agitador

80 g de agua muestra de metal termómetro de inmersión

jeringa de 10 m


Actividad 1 Registrar las características estáticas de los instrumentos indicados.


balanza con balanzón

termómetro de inmersión

Actividad 2 Medir la masa del metal disponible (mmetal) y determinar su temperatura inicial (Ti metal) la cual se sugiere sea la ambiente. Para esta medición sumergir las monedas en un vaso de precipitados con agua y un minuto después medir la temperatura; ésta será la temperatura inicial del metal. Eliminar el agua y secar perfectamente las muestras del metal.

masa del metal (mmetal): ____ [ ] temperatura inicial del metal (Ti metal): ____ [ ]


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Actividad 3 Medir una masa de 80 gramos de agua líquida y con la ayuda de la parrilla elevar su temperatura, vigilar la homogeneidad de esta propiedad agitando ligeramente el

contenido del recipiente hasta alcanzar los 40 °C (Ti agua); retirar de inmediato el recipiente de la parrilla, verter el agua al calorímetro y verificar la temperatura inicial del agua. Colocar con mucha precaución la muestra de metal en el calorímetro y taparlo perfectamente, como se muestra en la figura; agitar suavemente el calorímetro con las manos para conseguir homogeneidad.


masa del agua (magua ): ____ [ ] temperatura inicial agua (Ti agua): ____ [ ]


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Actividad 4 Medir la temperatura de equilibrio de la mezcla (Teq) aproximadamente un minuto después de haberla hecho y registrar ese dato. temperatura de equilibrio de la mezcla (Teq): ____ [ ]

Actividad 5

Explicar la ley cero y primera ley de la Termodinámica para sistemas termodinámicos estacionarios y aislados.

Actividad 6

Aplicar la primera ley de la Termodinámica para determinar la capacidad térmica específica del metal empleado. capacidad térmica específica del metal (cmetal): ____ [ ]


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Actividad 7

Con las mediciones obtenidas durante el experimento, llenar la siguiente tabla.

magua

kg

mmetal

kg

cagua

J/(kgK)

Ti agua

°C

Ti metal

°C

Teq

°C

cmetal

J/(kgK)

0.080 4 186

Actividad 8 Obtener el porcentaje de exactitud del valor experimental de la capacidad térmica específica del metal cmetal considerando que el valor patrón del metal utilizado es 450

J/(kgK). % de exactitud (%E) = _____________ Nota: Si su porcentaje de error de exactitud resultó mayor que 10%, se recomienda repetir el experimento.


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5. Cuestionario

1. ¿Qué expresa la ley cero de la Termodinámica y cómo se puede verificar su cumplimiento?

2. ¿Cuál fue el valor de la capacidad térmica específica del metal empleado? 3. ¿Qué expresa la primera ley de la Termodinámica y cómo se puede verificar

su cumplimiento? 4. ¿Qué expresa la segunda ley de la Termodinámica y cómo se puede verificar

su cumplimiento? 5. ¿Cuál fue el porcentaje de exactitud en el valor experimental de cmetal?

6. Conclusiones


Experimental

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8. Anexo


,

donde:

Para un sistema estacionario

Para un sistema aislado

en el interior del calorímetro.

Con la conclusión anterior:

Qagua + Qmetal = 0,

considerando que: Qvaso 0, que Qtapa 0 y Qtermómetro 0. Por lo tanto:

magua cagua ( Teq Ti agua ) + mmetal cmetal ( Teq Ti metal ) = 0 que se puede emplear para calcular cmetal en cada experimento.


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Práctica 9 Carga y corriente eléctrica


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1 Cuidado al manejar la barra de vidrio Se puede romper por su fragilidad y producir heridas.


a) Verificar e identificar los tipos de carga eléctrica que existen, aplicando la convención de Benjamín Franklin.

b) Obtener los modelos gráfico y matemático de la diferencia de potencial Vab entre los extremos de un resistor en función de la corriente eléctrica que circula por dicho elemento.

c) Obtener el procentaje de exactitud en el valor experimental del resistor

empleado tomando como valor patrón el dado por el fabricante.


fuente de poder de 0 a 30 [V] cd con amperímetro digital integrado voltímetro analógico de 0 a 50 [V] cd seis cables de conexión cortos de 50 [cm] resistor de alambre dos nodos de conexión dos bases de soporte universal dos varillas de 1 [m] tira de polietileno cordón de 0.60 [cm] tres barras cilíndricas: vidrio, ebonita, PVC y acrílico tres frotadores: piel de conejo, seda y franela

Para el profesor: generador Van de Graaff

muestreador electroscopio


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Experimento I. Carga eléctrica

Actividad 1 Armar los dos soportes universales (base y varilla), colocarlos aproximadamente a un metro de distancia entre ellos y atar el cordón en ambas varillas para que éste quede horizontal.

Actividad 2 Extender la tira de polietileno sobre la mesa y frotarla varias veces con la franela. Colgar la tira de polietileno de manera tal que las caras frotadas queden frente a frente. Observar la repulsión entre las caras de la tira. Este dispositivo experimental constituye un electroscopio (figura 1).

Figura 1. Electroscopio.


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Actividad 3 Frotar aproximadamente un tercio de la longitud de la barra de hule (ebonita) con la piel (de conejo), en el extremo opuesto al que sirve para sujetarla. Acercar la barra por la parte inferior a la tira de polietileno, sin tocarla y observar el efecto en los extremos de la tira.

Actividad 4 Aplicar la convención de Benjamín Franklin e inferir el tipo de carga de la tira de polietileno ya que la barra de ebonita tiene carga eléctrica negativa después de haber sido frotada con la piel.

Actividad 5 Frotar cada barra con cada uno de los materiales disponibles, acercar la barra con carga eléctrica a los extremos de la tira de polietileno e inferir el signo de la carga de la barra; registrar los resultados en la tabla siguiente.

frotador acrílico ebonita PVC vidrio

franela

piel

seda

Nota: Anotar ( o ) según sea la carga eléctrica de la barra después de frotarse con cada material.


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Actividad 6 (Profesor)

Escuche con mucha atención la explicación de su profesor acerca del funcionamiento del Generador Van de Graaff, así como de las diferentes maneras de cargar y descargar eléctricamente los cuerpos. Cargar : ___________________ _________________ _____________________ Descargar : ___________________ _________________ _____________________

Experimento II. Intensidad de corriente eléctrica.

Actividad 7 Identificar las características estáticas del voltímetro analógico.


Actividad 8

Sin energizar, conectar el circuito representado en los diagramas 2 y 3. Los nodos a y b representan los bornes positivo y negativo, respectivamente, de la fuente de poder. Verificar que ambas perillas de la fuente estén giradas totalmente en sentido contrario al movimiento de las manecillas del reloj. Se medirá la diferencia de potencial (voltaje) entre los puntos a y b con el voltímetro analógico proporcionado y la Intensidad de corriente eléctrica con la fuente de poder.


Experimental

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Diagrama 2. Conexiones para medir la diferencia de potencial.

Diagrama 3. Conexiones para medir la diferencia de potencial entre los nodos a y b.


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Actividad 9 Se energiza el circuito, con giros pequeños de ambas perillas de la fuente de poder,

graduar la corriente I en la fuente y en el resistor R. Para cada valor de corriente eléctrica medir y registrar la diferencia de potencial Vab en el voltímetro.

Variar la corriente eléctrica I en forma ascendente, medir y registrar la diferencia de

potencial que corresponda a cada valor de I. Repetir 2 veces más, las mediciones de corriente y voltaje, ahora en forma decreciente, efectuando las mediciones en forma de zig-zag.

I A Vab1 V Vab2 V Vab3 V Vab4 V abV V

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12


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Actividad 10 Completar el llenado de la siguiente tabla con ayuda de las expresiones matemáticas proporcionadas.

I A abV V Vab V ( abV Vab) V

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

Actividad 11

Trazar el modelo gráfico y obtener el modelo matemático V V = m V/A I A + bV con la información de la tabla anterior.


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5. Cuestionario

1. ¿Cuáles tipos de carga eléctrica existen? explique cada uno de acuerdo con los electrones que posee.

2. ¿Qué tipo de cantidad física (escalar o vectorial) es la carga eléctrica y qué

expresa el principio de conservación de la carga? 3. ¿Cuál es el modelo matemático de la diferencia de potencial Vab en función de

la corriente eléctrica en el resistor utilizado? 4. ¿Cuál es el valor del resistor empleado, con base en el modelo matemático

del inciso anterior? 5. ¿Qué porcentaje de exactitud tuvo el valor experimental del resistor

empleado?

6. Conclusiones


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7. Bibliografía


8. Anexo


n

SV V

ab

;

2/1

n

1j

2

j

V1n

VV

S

; Vab V = R I V

Modelos

V V = m V/A I A + bV


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Práctica 10 Fuerza magnética sobre un conductor


Experimental

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1 Calibrador con vernier Tiene partes filosas y puntiagudas, por lo que debe manipularse con cuidado.


a) Obtener los modelos gráfico y matemático de la fuerza de origen magnético,

( mF

), que experimenta un conductor recto de longitud (

), dentro de un

campo magnético ( B

), en función de la corriente eléctrica ( I ) en dicho

conductor. b) Analizar y determinar el significado físico de la pendiente del modelo

matemático obtenido, cuando se mantienen constantes la longitud

del

conductor, el campo magnético B

y el ángulo entre los vectores

y B

. c) Determinar el módulo del campo magnético del conjunto de imanes

empleado, a partir de la pendiente del modelo matemático. d) Determinar la exactitud del valor experimental del campo magnético.


fuente de poder de 0 a 10 [v] de 10 [A]

dos cables de conexión de 1 [m]

circuito impreso SF42


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conjunto de imanes permanentes

soporte de circuito impreso

varilla de 70 [cm]

base de soporte universal balanza de 0 a 310 [g] con vernier calibrador con vernier

Para uso del profesor:

teslámetro digital con punta de prueba transversal


Actividad 1 Identificar las características estáticas de la balanza proporcionada.


Actividad 2 Armar el dispositivo experimental mostrado la figura 1, sin encender la fuente de poder, en la cual las dos perillas (de voltaje y de corriente) deberán estar colocadas en el valor mínimo, lo que se consigue girando totalmente ambas perillas en sentido contrario al movimiento de las manecillas del reloj.


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Actividad 3

Medir la longitud media de la parte inferior del circuito impreso en forma de U, como se muestra en el diagrama; verificar si la tableta tiene circuito impreso en ambos lados para determinar la longitud total.

longitud del conductor ():_____________ [ m ]


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Actividad 4 Verificar el ajuste a cero de la balanza Colocar la tableta del circuito impreso paralela a los polos del imán pero sin que se toquen o rocen en punto alguno.

Actividad 5 Medir la masa real del conjunto de imanes (m0), sin encender la fuente de poder; observar que esta balanza nos permite realizar lecturas hasta con centésimas de gramo utilizando el vernier circular que tiene integrado y que se lee en forma análoga al calibrador vernier.

masa real del conjunto de imanes (m0):_____________ [ kg ]


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Actividad 6

Registrar el valor de m0 en la tabla de mediciones, el cual corresponde a I = 0. Con

giros pequeños de ambas perillas de la fuente de poder, hacer circular una corriente

I1 = 0.5 A y registrar el valor de la masa m1 del imán indicado por la balanza.

Continuar con los demás valores de corriente I, tomando en cada caso la lectura de la

masa del imán. Vigilar que durante todo el proceso de variación de la corriente eléctrica, el circuito impreso se conserve paralelo a las caras del imán sin tocarlo ni rozarlo dejando siempre al imán en posibilidad de moverse verticalmente.

I A

masa leída [kg]

m = |mi m0| [kg]

0 m0 =

0.5 m1 =

1.0 m2 =

1.5 m3 =

2.0 m4 =

2.5 m5 =

donde m0 = masa real de los imanes mi = masa leída, 1 i 5

m = variaciones aparentes de la masa del imán.


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Actividad 7 Completar el llenado de la siguiente tabla las fuerzas de origen magnético que actúa sobre el imán debido a la corriente eléctrica que circula por el conductor recto del circuito impreso. Recordar que mediante la aplicación de la tercera ley de Newton, el conductor del circuito impreso experimenta una fuerza debida al imán con la misma magnitud de la que actúa sobre el imán debida al conductor pero con dirección opuesta, ambas verticales en este caso.

I A

Fm = (m*g) [N]

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

donde:

| g

| = 9.78 [m/s2]


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Actividad 8

Trazar la gráfica del módulo de la fuerza magnética, mF

, en función de la corriente

eléctrica, I, con los datos de la tabla anterior.

Actividad 9

Obtener el modelo matemático del módulo de la fuerza magnética mF

, en función de

la corriente eléctrica, I, en el conductor.

pendiente (m) = _____________________ [ ] b = _____________________ [ ]

Actividad 10 Con ayuda del profesor, mida el valor del campo magnético del imán empleando el teslámetro campo magnético medido (B) = _____________________ [ ]


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5. Cuestionario

1. ¿Cuál es el modelo matemático del módulo de la fuerza magnética mF

,

en función de la corriente eléctrica, I, en el conductor?

2. ¿Cuál es el significado físico de la pendiente del modelo matemático del

inciso anterior? 3. ¿Qué valor experimental tiene el campo magnético del imán empleado? con

base en la pendiente del modelo del inciso 1. 4. ¿Qué porcentaje de exactitud tiene el valor del campo magnético

experimental, si se toma como valor patrón el campo magnético medido con el teslámetro?

5. ¿Para qué valor del ángulo se tiene la fuerza magnética máxima sobre el

conductor? ¿y qué valor del ángulo se tiene la fuerza mínima?

6. Conclusiones


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Fm [N]

I A

Fm N = m N/A I A + b N

b

7. Bibliografía



BIF

; sen|B|||I|F|

;

donde es el ángulo entre los vectores

y B

.

Modelos

m


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Práctica 11 Movimiento ondulatorio


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1 Base universal Mal colocada, puede caerse de la mesa y provocar una lesión.

2 Impulsor de ondas Se puede dañar si no se quita el seguro (unlock) antes de que esté en funcionamiento.


a) Identificar y determinar el periodo (), la amplitud (A), la frecuencia (f) y la

longitud de onda () en una onda armónica.

b) Conocer y observar las ondas estacionarias y los diferentes modos de vibración.

c) Obtener los modelos gráficos de la longitud de onda () en función de la

frecuencia (f) y de la longitud de onda () en función del periodo ().

d) Obtener el modelo matemático de la longitud de onda () en función del

periodo ( ) en el movimiento ondulatorio observado.

e) Determinar la rapidez de propagación (v), de las ondas en una cuerda con una tensión (F) aplicada.


Experimental

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generador de señales dos cables banana-banana de 1 [m] de longitud dos bases universales dos varillas de 1 [m] varilla de 1.5 [m] varilla de 20 [cm] balanza granataria impulsor de ondas tres tornillos de sujeción cuerda de longitud 2 [m] masa de 100 [g] dos masas de 50 [g] flexómetro

Equipo para el profesor generador de señales lámpara de luz estroboscópica osciloscopio conector BNC dos cables largos


Actividad 1 Registrar las características estáticas de los siguientes instrumentos de medición.


balanza granataria

flexómetro


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Sección ISO 8.3



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Actividad 2 Armar el dispositivo experimental mostrado en la figura 1, sin encender el generador de señales; quitar el seguro que impide el movimiento del impulsor de ondas (deslizando la palanca a la posición que dice unlock).


Actividad 3

Colocar la varilla de 1.5 m a una altura mayor que 40 cm de la mesa y se sugiere que

la longitud mostrada sea de un metro, con lo cual la distancia entre las varillas

verticales se podrá fijar en aproximadamente 1.1 m. Medir la masa de la cuerda así como su longitud. masa de la cuerda: ___________ [ ] longitud de la cuerda: ___________ [ ]


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Sección ISO 8.3



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Actividad 4 Sujetar la cuerda en la varilla más cercana al impulsor de ondas y pasarla a través de la ranura de este último. En la otra varilla vertical colocar perpendicularmente la barra de

20 cm que se empleará como polea, dejando descansar la cuerda sobre ella. Colgar las masas proporcionadas y el valor total de éstas será la masa suspendida (msuspendida), la cual originará la tensión (F) en la cuerda. masa suspendida (msuspendida): ______ [ ] tensión en la cuerda (F): ______ [ ]

Actividad 5 Energizar el generador de señales cuidando que la amplitud de la señal sea mínima y

disminuir el valor de su frecuencia hasta 2 Hz. Con giros suaves aumentar la frecuencia de la señal que recibe el impulsor de ondas, hasta que en la cuerda se produzca el modo de vibración n = 1, de ondas estacionarias,

que se reconoce por formarse un solo lóbulo de longitud (media onda) entre los dos nodos, siendo éstos los puntos inmóviles de la cuerda, ver figura 2. Aumentar la amplitud de la señal del generador para observar mejor el modo de vibración de la cuerda y registrar el valor de la frecuencia en la tabla de la actividad 6.

Figura 2. Modos de vibración (n) de ondas estacionarias.


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Actividad 6 Aumentar lenta y suavemente la frecuencia hasta encontrar el segundo modo de vibración (n = 2), registrar el valor de la frecuencia y la distancia (d) entre dos nodos consecutivos. Repetir el procedimiento hasta el modo de vibración 6. Determine el valor

de m, observando que =2d. A partir de los valores de frecuencia registrados determine el período para cada modo de vibración.

modo de vibración (n)

f

Hz

d

m

m

s

1

2

3

4

5

6

Actividad 7

Dibujar los modelos gráficos de la longitud de onda en función de la frecuencia: = f (f) y

de la longitud de onda en función del período: = f ()

Actividad 8

Obtener el modelo matemático de la longitud de onda en función del período: = f ()

del movimiento ondulatorio observado.


Experimental

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Sección ISO 8.3



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Actividad 9 (para el profesor)

Conectar la salida del generador de señales (bornes rojo y negro) a uno de los canales de medición del osciloscopio (figura 3).

Observar las formas de ondas disponibles en el generador y efectuar las mediciones del

periodo () y amplitud (A) de una onda sinusoidal de frecuencia 1000 Hz.

Figura 3. Generador de señales y osciloscopio.

período (): ___________ [ ] amplitud (A): ___________ [ ]

Variar la amplitud de la onda en el generador, observar este efecto en la pantalla y medir la amplitud mínima y máxima que podemos obtener del generador de señales.

amplitud máxima (Amáxima): _______ [ ] amplitud mínima (Amínima): ________ [ ]


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5. Cuestionario

1. ¿Qué tipo de curva resulta la gráfica longitud de onda () en función de la frecuencia (f)?

2. ¿Cuál es el modelo matemático obtenido de la longitud de onda () en función

del período ()?

3. ¿Cuál es la rapidez de propagación experimental de las ondas, con base en el

modelo del inciso anterior? 4. ¿Cuál es el valor teórico de la rapidez de propagación de las ondas, de

acuerdo con la tensión en la cuerda y su densidad lineal? 5. ¿Cuál es la exactitud del valor experimental de la rapidez de propagación de

las ondas si se toma al valor de la pregunta anterior como valor patrón?

6. Conclusiones


Experimental

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Sección ISO 8.3



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7. Bibliografía



f =

1 ; =

n

2 ; F

= ms g

; =

cuerda

cuerdam

; v =

F ;

v = f ; g

= 9.78 m/s2 = densidad lineal de la cuerda;

Modelos

m = m m/s s + bm, para 0

m =

d

d


Experimental

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Sección ISO 8.3



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Práctica 12 Reflexión, refracción (transmisión) y

dispersión de la luz


Experimental

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Sección ISO 8.3



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1 Láser No debe de verse directamente, ya que causa lesiones permanentes en el ojo.

2 Banco óptico Mal colocado en la mesa puede caer y causar lesiones.

3 Accesorios de vidrio Si son mal manipulados pueden caer y romperse en fragmentos punzo-cortantes


a) Obtener los modelos gráfico y matemático del ángulo de reflexión r en

función del ángulo de incidencia i de un rayo de luz.

b) Determinar los valores de los ángulos de transmisión t, para ángulos de

incidencia i y espesor e de una muestra translúcida de paredes paralelas, conocidos a través de las mediciones de las desviaciones laterales d correspondientes.

c) Obtener los modelos gráfico y matemático del seno del ángulo de transmisión

(sen t) en función del seno del ángulo de incidencia (sen i) en un medio translúcido.

d) Determinar el índice de refracción del material empleado, con base en el modelo matemático del inciso anterior y conociendo que los índices de transmisión del vacío y del aire son 1.0 y 1.00029, respectivamente.

e) Observar y analizar el fenómeno de la dispersión de la luz blanca.


Experimental

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Sección ISO 8.3



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3. Material y equipo fuente de luz incandescente fuente de láser banco óptico transportador angular portacomponentes estándar portacomponentes especial abertura rectangular pantalla con escala milimétrica espejo de superficie plana placa de vidrio placa de acrílico

prisma de vidrio 45°90°45° calibrador con vernier


Experimento 1. Reflexión de la luz

Actividad 1 Sobre el banco óptico, con la escala graduada hacia el frente, coloque la fuente de láser sin encenderla, de manera que su rayo apunte hacia la pared más próxima para evitar incidir en algún compañero del grupo.

Colocar sobre el banco óptico, a 20 cm aproximadamente, de la fuente de láser, el transportador angular y alinearlo longitudinalmente con el banco en la dirección 0° y 180° (ver figura 1).


Experimental

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Sección ISO 8.3



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Figura 1. Banco óptico y brazo móvil.

Actividad 2 Colocar sobre la mesa giratoria, del transportador angular, el portacomponentes especial (el de menor altura) con el espejo plano adherido. Hacer coincidir la línea de dirección 90° y 270° con el plano del espejo, a su vez quedando de frente al láser, como se muestra en la figura 2.

Figura 2. Espejo y portacomponentes especial.


Experimental

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Versión: 01

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Sección ISO 8.3



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Actividad 3 Encender el láser y verificar el alineamiento del transportador angular y del espejo; como el rayo de luz incide sobre el espejo con un ángulo de cero grados, determinar el ángulo con que se refleja, recordar que los ángulos de incidencia, de reflexión y de transmisión se miden con respecto a la normal de la muestra en el punto de incidencia y dichos rayos y la normal son coplanares (ver figura 3).

Figura 3. Rayo incidente y rayo reflejado. Actividad 4 Girar 10° la mesa móvil del transportador. de manera que ahora el ángulo de incidencia

i sea de 10°, girar el brazo móvil del transportador angular en el cual colocamos la pantalla con escala milimétrica para localizar el rayo reflejado por el espejo. Determinar y registrar el ángulo entre los rayos incidente y reflejado y por diferencia

encontrar el ángulo de reflexión r como se indica en la figura 4.


Experimental

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Sección ISO 8.3



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Figura 4. Rayo incidente y rayo reflejado.

Actividad 5 Continuar de la manera descrita para cada uno de los ángulos de incidencia indicados en la tabla de mediciones de la reflexión de la luz; realizar las mediciones de los ángulos de reflexión correspondientes al menos en tres ocasiones y en forma de zig-zag.

i ° r ° r rad

0

10

15

20

25

30

35


Experimental

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Sección ISO 8.3



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Experimento 2. Transmisión de la luz

Actividad 6 Apagar la fuente de láser, retirar del banco óptico el portacomponentes con el espejo y colocar sobre la mesa giratoria la placa de acrílico vigilando que una cara mayor de la placa quede paralela con la línea 90° y 270° de la mesa giratoria, como se muestra en la figura 5.

Figura 5. Placa de acrílico.

Actividad 7 Girar el brazo móvil del transportador hasta la dirección 180°; encender el láser y centrar la pantalla cuando el rayo incide en el dígito 2 de la misma, este número será nuestra referencia para medir las desviaciones laterales “d”, figura 6.

Figura 6. Pantalla milimétrica.


Experimental

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Sección ISO 8.3



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Actividad 8 Girar la mesa del transportador angular, de forma que el ángulo de incidencia sobre el acrílico sea de 10°; medir la desviación lateral “d” que corresponde a dicho ángulo haciendo una estimación lo más exacta posible.

Figura 7. Desviación lateral “d”.

Actividad 9 Proceder como en el punto anterior para cada ángulo de incidencia registrando la desviación lateral “d” correspondiente. Con la ayuda del calibrador con vernier medir el espesor “e” del acrílico y registrarlo. e = _____________________ [mm]


Experimental

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Sección ISO 8.3



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Actividad 10 Realizar las mediciones de las desviaciones laterales “d” necesarias para el llenado de la tabla.

i ° d mm d/e 1 sen i cos i tan t t ° sen t

0

10

15

20

25

30

35

Actividad 11 Considerando como abscisas (variable independiente) los valores de sen i y como

ordenadas (variable dependiente) los valores de sen t, dibuje el modelo gráfico y

obtenga el modelo matemático de sen t = f(sen i ).


Experimental

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Sección ISO 8.3



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Experimento 3. Dispersión de la luz Actividad 12 Cambiar la placa de acrílico por el prisma; colocarlo de manera que uno de los catetos coincida con la línea 90° y 270° de la mesa giratoria en la forma en que se muestra en la figura 8.

Figura 8. Prisma.


Experimental

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Sección ISO 8.3



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Actividad 13

Hacer que el ángulo de incidencia de la luz blanca sea i 5°; colocar el brazo móvil con la pantalla como se muestra en la figura 9.

Figura 9. Dispersión de la luz.

Actividad 14 Buscar la dispersión de la luz en la pantalla aumentando ligeramente el ángulo de incidencia y dibujar las franjas de color observadas.


Experimental

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Sección ISO 8.3



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5. Cuestionario

1. De acuerdo con las mediciones y los modelos gráfico y matemático obtenidos para la reflexión de la luz, ¿cómo puede expresarse la ley de la reflexión?

2. ¿Es importante para la observación y medición de la desviación lateral “d”, el

espesor e de la placa traslúcida empleada? Explique.

3. ¿Cuál es el modelo matemático obtenido para el sen t en función del sen i, para cada el material empleado?

4. Determine el valor experimental del índice de transmisión “n” de cada

material empleado, con base en el modelo matemático del inciso anterior. 5. Dibuje y coloree un esquema que muestre el fenómeno de la dispersión de la

luz.

6. Conclusiones


Experimental

Código: MADO-09

Versión: 01

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r [°]

i [°]

b b

m

sen t [1]

sen i [1]

7. Bibliografía



i

i

tcos

e

dsen

tan

; nx = xv

c ; ni sen i = nt sen t

Modelos

Reflexión de la luz Transmisión de la luz

m

r ° = m °/° i ° + b ° sen t 1 = m 1 sen i 1 + b 1

manual de prácticas de laboratorio de física...

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